(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
柱軸を備える柱状基板の側面に光電子回路を集積してなる柱状集積回路であって、
前記柱状基板が円柱を含む基板であり、
前記柱状基板が、その中を冷却用流体が流れるように形成されている管状部分を有し、
前記光電子回路が、蒸着、スパッタ、ＣＶＤ、スピンコートのいずれかにより成膜され、レジスト層を露光する集光ビームの点滅を制御することにより、光導波路のコア層を所定のパターンにエッチングするためのマスクとなる前記レジスト層に所定のパターンを形成し、
前記光電子回路が前記光導波路を備える柱状集積回路。
【請求項２】
前記光導波路が前記柱軸の回りを巻回することを特徴とする請求項１に記載の柱状集積回路。
【請求項３】
前記光電子回路が導波路型光アンプを含むことを特徴とする請求項１〜請求項２のいずれかに記載の柱状集積回路。
【請求項４】
前記光電子回路が半導体レーザを含むことを特徴とする請求項１〜請求項２のいずれかに記載の柱状集積回路。
【請求項５】
前記光電子回路がサンプリング装置を含むことを特徴とする請求項１〜請求項２のいずれかに記載の柱状集積回路。
【請求項６】
管状部分を有する柱状基板を柱軸の回りに回転させるステップと、
前記回転中の前記柱状基板の側面に所定の材料で、光導波路を備える光電子回路を構成するための成膜をおこなうステップと、この成膜をおこなうステップが蒸着、スパッタ、ＣＶＤ、スピンコートのいずれかによりおこなわれることと、
前記柱状基板を該前記柱状基板の柱軸の方向に移動させるステップと、
前記移動中の前記柱状基板の側面に前記光電子回路を構成するためのパターンを露光するステップと、この露光するステップがレジスト層を露光する集光ビームの点滅を制御することにより、前記光導波路のコア層を所定のパターンにエッチングするためのマスクとなる前記レジスト層に所定のパターンを形成することと、
前記管状部分を、その中に冷却用流体が流れるように形成するステップとを含む柱状集積回路の製造方法。
【請求項７】
前記柱状基板の少なくとも一方の端を前記柱軸に直交する平面で切り取ることを特徴とする請求項６に記載の柱状集積回路の製造方法。
【請求項８】
前記成膜をおこなうステップが、前記柱状基板の表面層の屈折率より高い屈折率を有する高屈折材料からなるコア層、前記柱状基板の表面層の屈折率と等しい前記低屈折材料からなる上部クラッド層を形成し、前記柱軸の回りを螺旋状に巻回する光導波路を形成するようにしたことを特徴とする請求項６〜請求項７のいずれかに記載の柱状集積回路の製造方法。
【請求項９】
前記成膜をおこなうステップが、第１の屈折率の材料からなる下部クラッド層、第１の屈折率より高い第２の屈折率を有する高屈折材料からなるコア層、前記第１の屈折率と等しい屈折率を有する材料からなる上部クラッド層を形成し、前記柱軸の回りを螺旋状に巻回する光導波路を形成するようにしたことを特徴とする請求項６〜請求項７のいずれかに記載の柱状集積回路の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は概して集積回路に関し、詳しくは円柱基板に形成した光電子回路とその製造方法に関するものである。なお、近年電子回路と光回路とは密接に結合され、混載され分離し難い姿態で所定の機能を実現するものが多々存在する。そこで、本明細書では、電子回路と光回路の双方を含む回路として「光電子回路」という用語を用いる。本発明では、光電子回路が光導波路を備える。同様の趣旨で、例えば、電子デバイスと光デバイスの双方を含むデバイスとして「光電子デバイス」という用語を用いる。「光電子装置」も同様に電子デバイスと光デバイスの双方を、および電子回路と光回路の双方を含むデバイスである。
【背景技術】
【０００２】  近年、光ファイバを用いた光通信技術はインターネット等の普及にとって不可欠になっている。この光通信技術で必要になる光電子デバイスには光ファイバだけでなく、電気信号を光信号に変換するためのレーザ、光増幅器、光減衰器、その他の電子デバイスなどの多くの光電子デバイスが含まれる。
光増幅器として用いられるファイバアンプ、フィルタの役目を果たすファイバグレーティング、計測に必要なファイバディレイラインなど光ファイバに光導波路以外の機能を持たせる研究開発が活発に行なわれている。本明細書ではこのように光導波路以外の機能を持たせた光ファイバを「機能性光ファイバ（functional optical fiber）」と称する。機能性光ファイバも光電子デバイスに含まれる。【０００３】  従来の光ファイバや機能性光ファイバを含む光電子装置の一例１０は、図１に示すように通常直径１０ｃｍ以上の円柱状あるいは糸巻状の筺体１１に機能性光ファイバ１２を多数回巻回した構成を有する。
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】この光電子装置には以下のような問題がある。
（１）機能性光ファイバを構成する材料はSiO2などの無機化合物であり、機械的強度が弱いため、通常２0cm程度の曲率半径以下には曲げることができないため、小形化ができない。
（２）また機能怪光ファイバの曲げやねじれによって生じる不均一な応力にって複屈折が生じ、それにより偏波方向が変わったり伝搬損失が生じる虞が高い。
したがって、本発明の目的は、上記各問題を解決し、小形高性能の光電子装置を提供することにある。
本発明の別の目的は、集積化された廉価な小形・高性能光電子装置を提供することにある。
本発明のさらに別の目的は、長い光導波路をコンパクトなサイズに集積した光電子装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の発明者は柱軸を備える柱状基板の側面に光電子回路を集積してなる柱状集積回路を発明した。特に、製造容易で、等曲率の光導波路を集積しやすい円柱基板を用いるのが好ましい。また、基板材料の節約をする上では柱状基板が管状部分を有するようにしても良い。本発明は、前記光電子回路が光導波路を備える場合に有利である。前記光導波路が前記柱軸の回りを巻回すれば、その有利さは特に顕著である。
【０００６】
前記光電子回路としてファイバアンプ、半導体レーザを集積すると、容易に長い光導波路がえられるので高性能で小形の装置が得られる。また、他の電子回路とともに光検出素子を組み込んだ本発明のサンプリング装置は容易に光の並列サンプリングを実現できるので高精度高速サンプリングの実現に供して有益である。
【０００７】  本発明の柱状集積回路の製造方法では、柱状基板を柱軸の回りに回転させるステップと、前記回転中の前記柱状基板の側面に所定の材料で光電子回路を構成するための成膜をおこなうステップとにより容易に管状の成膜を行なうことができるので、柱状基板を回転させる装置の他に新たな装置の開発なしに成膜することが可能である。
【０００８】  また、パターンの形成に当たっても、前記柱状基板を該前記柱状基板の柱軸の方向に移動させるステップと前記移動中の前記柱状基板の側面に前記光電子回路を構成するためのパターンを露光するステップとを追加すればすむ。
さらに、前記柱状基板の少なくとも一方の端を前記柱軸に直交する平面で切り取ることで光の入出力特性を良好にすることができる。
【０００９】  特に本発明が適用されて効果がある光導波路の製造では、低屈折材料からなる下部クラッド層、高屈折材料からなるコア層、前記低屈折材料からなる上部クラッド層を順次形成すればよい。したがって、容易に柱軸の回りを螺旋状に巻回する長い光導波路を形成することができる。
さらに、柱状基板の外側表面近傍の屈折率と上部クラッド層の屈折率を略等しく、好ましくは等しく選ぶことにより、下部クラッド層の成膜を省略することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１０】  本発明をなすため、発明者は以下の技術について検討をおこなったので、本発明の理解の参考のために以下に記す。
現在、上記問題のうち小形化を達成するための一つの有力な方法は光電子デバイスや光電子回路を基板上に集積して光電子集積回路を形成するものである。一般に基板であるウエハは円板であって、その一表面にパターン形成、薄膜形成などを繰り返すことで二次元の光電子回路が形成製造されている。
二次元の光電子回路をさらに高密度化するために、二次元光電子回路を含む層を複数堆積して層間をビアで連通させた三次元集積回路も開発されている。
【００１１】
しかしながら、上記基板の形状に由来して以下のような問題がある。すなわち、ウエハ形状で光電子装置を製造する方法では、素子の高密度化や低コスト大量生産のためにウエハサイズの大口径化が数年サイクルで行われている。そのため、大口径化の度に新しい口径にあった製造装置を新たに導入する必要がある。加えて高密度化と共に製造プロセスも複雑になり更に多くの製造装置が必要になる。このことは大口径化による装置の導入がそれだけでコスト増につながることを意味し、光電子装置のコスト削減を難しくしている。また、最新の光電子装置では光導波路の長さが数メートルにも及ぶことがしばしばあり、このような長尺の光導波路を平面的に、二次元的に配置するのは困難である。特に同一曲率半径で配置するのは極めて困難である。三次元集積技術などによりウエハ上に製造したとしても、製造工程が複雑で品質の劣化とコスト増を招き易いか、平面状に配置するためウエハサイズが非常に大きくなって、やはり品質の劣化とコスト増を招き易い。
【００１２】  上記問題を回避するため、最近、特表２００１−５０１７７９号公報に開示され、ボールセミコンダクタあるいは球面形状半導体と呼ばれる、全く新しいデバイスが開発されている。これは直径数ミリ程度の球面形状の半導体表面に電子回路を形成する方法であり、さらなる集積化はそれらの球面形状の半導体をつなぎあわせることで実現する。この方法の利点は球面形状の半導体のサイズが小さいため、製造装置のコストが低いことと、集積化のために球面形状の半導体のサイズをかえるのではなく積層することで行うため、製造装置のライフタイムが長いことがあげられる。球面形状半導体ではその球面に沿って電子回路を周回して配置することもできるので、配線を周回させてインダクタを作製することも可能である。
【００１３】  上記球形基板を用いた製造方法は製造装置のコスト増を抑えることはできるが、まだ開発が始まったばかりであり、光電子装置の製造が本当に低コストで可能かどうかまだ証明されていない。特に、球面形状半導体が超小型であるため、それを生かして、生体センサ等に適するといえども、長尺の光導波路を含む光電子回路の集積には小さすぎる。
【００１４】  以上の検討結果に基づいて、本発明者は、柱状基板を用いて光電子装置を組立てることに思い至った。柱状基板は柱軸をなす直線上に中心を置き柱軸と直交する円盤や円環等の断面図形を中軸に沿って移動させて生成した形状を備える。以下に、本発明の第１の実施例である光電子装置１についてその構成と、製造方法について説明する。
【００１５】  図２は、本発明の第１の実施例である光電子装置２０の模式的斜視図（ａ）と部分破断拡大断面図（ｂ）である（なお、本明細書での断面図の断面は、特記なければ、柱軸を含む平面による断面図である。）。図２において、２２が光導波層、２３が支持基板、２４がコア層、２５がクラッド層、２６、２７が光入出力端である。支持基板２３は柱状であり、その断面形状は種々可能であるが円柱が好ましい。以下円柱として説明する。支持基板２３の側面には、断面図（ｂ）に示すように、円筒状のクラッド層２５とコア層２４からなる光導波層２２が配置されている。コア層２４はクラッド層２５に埋設され支持基板２３に螺旋状に巻回される。支持基板２３の柱軸方向で所定の距離離隔して隣接するように配置される。光はコア層２４内を伝搬するように設計される。例えば、コア層２４の屈折率をクラッド層２５のそれよりも高くし光がコア層２４内に閉じ込められるようにする。あるいは必要に応じて、コア層２４と平行して不透明の隔壁層を巻回して隣接コア層２４間の漏れを低減する構成としてもよい。いずれにしても、導波層２２の中を柱軸方向に進む光は主にコア層２４内を伝搬する。光導波路はコア層２４とその外部近傍を含んで実質的に構成され、隣接する光導波路間での漏洩光の影響は無視できるものとする。一般に光導波路とは、広い空間に光を伝搬させないで、およそ直径１ｍｍ以下の狭い断面内に閉じ込めて光を伝送するものである。
【００１６】  光入出力端２６，２７はそれぞれ支持基板２３の上端、下端より取り出される。この円柱構造の光電子装置２０を外部光ファイバに接続して光の入出力をおこなう場合、光電子装置２０と外部光ファイバの結合を容易にする必要がある。そのため光入出力端２６，２７が機械的に堅固でかつ外部から接近し易く構成される。例えばコア層２４の端部が光入出力端２６，２７において支持基板２３の上下端の端面と垂直になるように作られる。斜視図（ａ）では該端面が支持基板２３の柱軸方向と直角方向に拡延する例を示す。光入出力端２６，２７近傍で外部光ファイバを支持基板２３の柱軸方向に延伸するのに好都合である。支持基板２３の端面を支持基板２３の柱軸方向と平行方向に拡延するように設ければ、光入出力端２６，２７近傍において、外部光ファイバを支持基板２３の柱軸と直角方向に延伸するのに好都合である。光電子装置２０の実装条件に応じて別の端面を採用するのが好い。
【００１７】
支持基板２３のサイズは任意に形成してよいが、近年の小型化の観点からは従来技術におけるサイズの１０分の１程度が実現できるのが好ましい。すなわち、直径1cm、長さ5cm、あるいはそれ以下が望まれる。本発明によれば、このようなサイズが実現される。前述のごとく、螺旋状にコア層２４が巻かれる場合その隣接コア層２４との間で光の漏洩が起こらない程度の距離を取る必要がある。通常のシングルモードファイバのコア径が8μm、クラッド径が125μmであり、このサイズと材料とをコア層２４とクラッド層２５とに適用するとコア層２４の長さは10m程度にまですることができる。コア層２４への光の閉じ込めを強くする導波層２２の構造を選べばさらに間隔が狭められてコア層２４の全長を長くし得る。支持基板２３は必ずしも充実基板でなくともよく、光電子装置の電気的性能、機械的強度や取扱の便宜が損なわれなければ、管状や一部管状としても良く、材料の節約が可能である。
【００１８】
コア層２４、クラッド層２５、支持基板２３を構成する材料は従来技術による光ファイバ、光導波路を構成するために用いられている材料を用いることができる。一例としてコア層２４、クラッド層２５、支持基板２３の材料はSiO2を主成分とした材料とし、屈折率を変えるためにホウ素（B）やゲルマニウム（Ge）などを添加することで形成可能である。また、この円柱支持基板２３の側面には現在平面基板上に実現されている光学素子、光結合器、干渉計、減衰器、レンズ、フィルタなどあらゆる素子を形成することが可能である。更にコア層にErなどの希土類を添加することでファイバアンプを形成できる。またコア層の伝搬方向に周期的な屈折率分布を作ることでファイバグレーティングの形成が可能である。
【００１９】次に、光電子装置２０の製造工程を示す図３のフローチャート３０に沿って説明する。説明の各段階において、図4〜図７を参照する。図４には、光電子装置２０について、図２の（ｂ）における一方の側面が製造工程につれて変化して行く様子が例示されている。なお、各製造工程を実行するための主要な製造装置は大きく分けて二つあり、その一方が図５Ａに示す成膜装置５００で他方が図６Ａ、図６Ｂに示す描画装置６００、６５０である。成膜装置５００で成膜し、図５Ｂに示すレジスト塗布装置５３０でレジストを塗布し、図６Ａ、図６Ｂに示す描画装置６００、６５０で露光し、図６Ｃに示す現像、エッチング装置６６０で現像、エッチングを行なう。
【００２０】
（１）工程３１：支持基板２３を開始部材として加工されるSiO2が好ましい被加工円柱部材５０の両底部がそれぞれ取り付け治具５４A、５４Bを介して成膜装置５００に取り付けられる。図５Ａに示すように成膜装置５００は大きく二つの部分に分けられる。すなわち回転機構５１０と成膜機構５２０である。成膜機構５２０は従来技術による汎用装置であり、被加工円柱部材５０の側面に蒸着、スパッタにより成膜材料源５７からの成膜材料で成膜するのが好ましい。成膜材料としては、例えば、上部クラッド層２５の成膜にはSiO2が、コア層２４の成膜にはGeO2-dopedSiO2が好ましい。GeO2ドープ量は、例えば8%/molが好ましい。上部クラッド層２５の成膜にSiO2を用いれば被加工円柱部材５０と同じ成膜材料であるので下部クラッド層２５の成膜は省略できる利点がある。一般に被加工円柱部材５０の光導波路部分となる表面近傍の屈折率と同じ屈折率のクラッド層を採用する場合は、下部クラッド層２５の成膜を省略できる場合が多い。回転機構５１０は回転機構支持基板５１上に固定した回転子支持基板５２A,５２Bにより回転モータ５５と一方の回転接続棒５３Aとを支持する。回転子支持基板５２Aには一方の回転接続棒５３Aが回転自在に支持されている。回転モータ５５の回転軸にはもう一方の回転接続棒５３Bが固定されて回転軸と被加工円柱部材５０とは一体となって回転する。被加工円柱部材５０の両底部がそれぞれ取り付け治具５４A、５４Bはそれぞれ回転接続棒５３A、５３Bが固定され、回転モータ５５の回転につれて被加工円柱部材５０がその柱軸の回りで所定の速度で回転する。
【００２１】  被加工円柱部材５０が回転接続棒５３Bの矢印に示す回転に応じて回転（本実施例では一般に毎分10-100回転程度の回転速度が好ましい)している状態で、成膜機構５２０より成膜材料出射ビーム５８が円柱部材５０の側面に照射され円柱部材５０の側面の露出部全体に照射への暴露に応じて管状に成膜がおこなわれる。被加工円柱部材５０の回転によって被加工円柱部材５０の側面に成膜された成膜材料の厚さは均一に分布する。成膜機構５２０による成膜材料の被加工円柱部材５０の側面への照射は、遮蔽板５６A,５６Bによる照射口の開閉で成膜材料出射ビーム５８を断続して制御される。成膜材料出射ビーム５８は概ね被加工円柱部材５０の柱軸に向かうように照射するのがこのましいが、ビーム５８の出射方向、ビームの形状は従来技術により所望の制御が可能である。
スパッタによる成膜では成膜機構５２０を回転機構５１０の上部に配置することも可能である。
【００２２】  工程３１における被加工円柱部材５０の側面の状態は図4の（ａ）を参照して理解するのがよい。工程３１の開始時には被加工円柱部材５０の開始部材である支持基板２３の側面は、通常の成膜装置での成膜を行なうと同様に清浄化されている。つぎに、被加工円柱部材５０を回転させつつ、成膜材料源５７からの成膜材料（SiO2 あるいはGeO2-doped SiO2等）を順次変えつつ、支持基板２３の側面に下部クラッド層４２、コア層４３を順次成膜する。この成膜プロセスはウエハを用いて従来行われているプロセスと全く同じである。成膜方法は蒸着、スパッタ、CVD、スピンコートなど、現在用いられている方法が適宜利用可能である。ただし後述するように円柱側面の表面でそれを行うには従来の製造装置に若干の変更をほどこし、円柱部材を装置内の試料配置位置に固定する治具及び回転機構を設ける必要がある。
【００２３】  （２）工程３２：つぎに、図５Ｂに示すレジスト塗布装置５３０でレジスト塗布をおこなう。成膜後の被加工円柱部材５０である被加工円柱部材５３４は回転機構５１０と同様の回転機構５３５に取り付けられ図示矢印で示すように回転させられる。本実施例で使用するレジストはヘキスト社のAZ6124等の感光性フォトレジストが好ましい。レジストタンク５３２に格納されたレジストを被加工円柱部材５３４の側面に塗布する。被加工円柱部材５３４を数千rpmの速度で回転させ所望の厚さ(3μm程度)の均一なレジスト層４４を形成する（図４の（ｂ））。その後一定時間ベークする。
【００２４】  引き続き、図4の（ｃ）で示すように、光導波路を形成するための所定のパターン（円柱側面の螺旋パターン）をレジスト層４４に形成するために該パターン領域４６に露光用ビーム４５を照射する。該パターンを形成するため図６Ａ、図６Ｂに示す描画装置６００、６５０が用いられる。以下、最初に描画装置６００によるパターン形成について説明し、次に描画装置６５０によるパターン露光について説明する。
【００２５】
図６Ａにおいて、描画装置６００の構成は成膜装置５００と類似しているが大きく二つの部分に分けられる。すなわち回転移動装置６２０と露光装置６３０とである。露光装置６３０は既存の装置の構造と同じである。図６Ａに示す実施例では好もしいレーザ光を用いて描画する。まず、成膜、レジスト塗布を終えた被加工円柱部材５０である被加工円柱部材６０５は回転機構６１０の回転接続棒６３Ａ，６３Ｂにそれぞれ固定された取り付け治具６４Ａ，６４Ｂにその両低部で取り付けられる。回転機構６１０は回転移動装置６２０上に移動可能に取り付けられる。
【００２６】  露光装置６３０は露光部支持基盤６９上に載置された露光光源６７と集光レンズ６８とを備え、露光光源６７から発生する光が集光レンズ６８により集光されて集光ビーム６０１が形成される。被加工円柱部材５０のレジスト層４４のパターン領域４６にレーザ光の集光ビーム６０１が露光用ビーム４５として露光装置６３０から照射される。本実施例はポジレジストの場合について説明するが、ネガレジストの場合もレジスト層４４のパターン領域４６以外にレーザ光の集光ビーム６０１を照射する以外同様である。
【００２７】
回転移動装置６２０は可動装置支持台６１上に移動可能に載置された可動ステージ６６備え、可動ステージ６６は矢印６０２で示すように被加工円柱部材５０の回転軸（柱軸に相当）の方向で制御可能に移動する。可動ステージ６６上に固定した回転子支持基板６２A、６２Bにより回転モータ６５と一方の回転接続棒６３Aとを支持する。回転子支持基板６２Aには一方の回転接続棒６３Aが回転自在に支持されている。回転モータ６５の回転軸にはもう一方の回転接続棒６３Bが固定されて回転軸と被加工円柱部材５０とは一体となって回転する。被加工円柱部材５０の両底部がそれぞれ取り付け治具６４A、６４Bはそれぞれ回転接続棒６３A、６３Bが固定され、回転モータ６５の回転につれて被加工円柱部材５０がその柱軸の回りで所定の速度で回転する。
【００２８】
被加工円柱部材５０が回転接続棒６３Bの矢印６０３で示す回転に応じて回転している状態で、露光装置６３０から集光ビーム６０１が被加工円柱部材５０の柱軸に向けて照射され、直上のレジスト層４４に所定の大きさの光スポットを生じる。回転モータ６５の回転速度と回転数、可動ステージ６６の移動速度と移動距離を制御しつつ、集光ビーム６０１の点滅を制御することでレジスト層４４に所定のパターンを形成することができる。また、従来通り、照射される集光ビーム６０１のレジスト層４４上での光スポットの形状、大きさ、照射方向も制御され得る。例えば可動ステージ６６を一定速度で移動させ、回転速度を（０）―（上昇）―（一定）―（降下）―（０）と変えることにより図２に示す螺旋パターンが得られることは容易に理解できよう。本発明の描画装置６００は、その露光方法の原理において、市販のプリンタやプロッタが行なえると同様に、任意の図形パターンを形成できるものである。後々の工程において指標となるように被加工円柱部材５０の底部近傍に円周方向の目盛パターンを形成することもできる。可動ステージ６６を用いるかわりに集光ビーム６０１を走査して印刷用のプリンタやプロッタと同様の構成も簡便に可能である。
【００２９】  図６Ｂに示す描画装置６５０はフォトマスク６５４を使った露光装置を採用したものである。UV光源６５２からUV光を照射されたフォトマスク６５０を柱軸方向と直交する方向に動かす。被加工円柱部材６０５を描画装置６００におけると同様な回転機構により柱軸の回りに回転させる。スリット６５６によりフォトマスクの一部のパターンが被加工円柱部材６０５に照射される。フォトマスク６５４と被加工円柱部材６０５の動きを同期制御して所望のパターンを描くことができる。
【００３０】  露光後に現像を行いパターン領域４６以外のレジスト層を除去する（図4の（ｄ））。現像は図６Cに示すような現像、エッチング装置６６０装置に現像液６６２を満たし、その現像液６６２中に露光後の被加工円柱部材６６５を所望の時間浸すことで、ビームの当たっていないレジストが取り除かれる（ポジ型レジストの場合）。露光まで経過した被加工円柱部材５０である被加工円柱部材６６５は回転機構５１０と同様の回転機構６６３に取り付けられ図示矢印で示すように回転させられる。
【００３１】  （３）工程３３：次にパターン化されて残存するパターン化レジスト層４４のパターン領域４６をマスクとしてコア層４３をエッチングする（図４の（e））。エッチングは酸溶液を用いてもプラズマを用いてもエッチングすることができる。エッチング後従来と同じくレジストを除去する。
【００３２】  酸溶液を用いる場合は図６Cに示すと同様な装置により、現像液６６２を酸溶液に変えて従来と同様に行なうことができる。プラズマエッチングを用いる場合は、図５Aに示すと同様な装置により、成膜材料出射ビーム５８をプラズマビームに変えて行なうことができる。コア層がGeO2-doped SiO2の場合、プラズマガスとしてCaF2が好ましく用いられる。
【００３３】  （４）工程３４：工程３１と同様にして上部クラッド層４８を成膜する(図4の(ｆ))。ここまでの工程を経た被加工円柱部材５０である被加工円柱部材７０の斜視図を図７に示す。
【００３４】  （５）工程３５：被加工円柱部材７０を図２に示す光電子装置２０として動作させるためには光を入射、出射させる端面を平滑にする必要がある。このため、図７に示すように被加工円柱部材７０をその底部近くの位置２１０，２２０において切断して上端部２２２、下端部２１２を切断除去する。次にこの切断で生じた端面を研磨し平滑にする。鏡面になるまで研磨をすることでその端面での散乱等を抑えることができる。さらに端面での反射を抑えるためには、この後無反射コーティング膜を端面に成膜することが好ましい。
光を入射、出射させる瑞面を円周方向としたい場合は、図８に示すように切断端面８１，８２を柱軸と平行に設ければよい。切断までの工程を終えた被加工円柱部材５０である被加工円柱部材８０の斜視図が図８に示されている。
【００３５】  上記製造工程で用いることができる材料として、現在光導波路製造に用いられている種々の材料が利用可能である。一例としては支持基板、クラッド層、コア層がSiO2を主成分とした材料で、コア層に屈折率を高めるためにB,Geなどドープされている材料が可能である。
また有機のポリイミドをクラッド、コア層として用いることも可能である。更に感光性のポリイミドをコア層に用いれば、工程３３を省略できる場合がある。
更に支持基板に単結晶半導体基板をもちい、クラッド層、コア層に半導体材料を成長させることも可能である。
【００３６】  加えて、コア層の形成方法としては、パターン形成に用いた露光用レーザを紫外線領域の波長で強度が極めて大きいものに変えて用いることで、工程31,33,34を省略することができる。すなわちクラッド層及びコア層としてGeO2-doped SiO2を成膜し、コア層となる部分に紫外域の強い光を照射することにより、コア層内のGeO2の化学的変化による屈折率を高める。これは従来ファイバーグレーティングを製造する場合にもちいられる方法を応用したものである。
【００３７】  この構造では光導波路だけでなく、半導体レーザ、光検出器、光変調器の光デバイスのみならず、電子デバイスを形成することが可能である。また、現在平面基板上に実現されている光学素子、光結合器、干渉計、減衰器、レンズ、フィルタなどあらゆる素子を形成することが可能である。更にコア層にエルビウム（Er）などの希土類元素を添加することでファイバアンプを形成できる。またコア層の伝搬方向に周期的な屈折率分布を作ることでファイバグレーティングの形成が可能である。
以下に実施例１における製造装置と製造方法とを援用して、本発明の好適な実施例をさらにいくつか紹介する。
【００３８】
図９に本発明の第２の実施例であるファイバアンプ９０の斜視構造を示す。ファイバアンプ９０は円柱基板の側面に構成され前述コア層から形成した光導波路が多数回基板を巻回する構造である。ファイバアンプ９０の上底に設けた光信号入力端９５と励起光信号入力端９６のそれぞれから増幅される光信号と励起光とが入力され、それぞれの光導波路で結合器９２に到達する。結合器９２からはErドープファイバとして機能するErドープ光導波路９３に光信号と励起光との双方が進行し光信号の増幅が行なわれる。増幅された光信号と励起光とは、次に利得平坦化のためのファイバグレーティングとして機能する光導波路９４に入力され、増幅された光信号がファイバアンプ９０の下底に設けた光信号出力端９７から取り出される。Erドープ光導波路９３の部分のコア層にはEr等の希土類元素が添加されている。また、光導波路９４の部分のコア層は伝搬方向に周期的な屈折率変化を有する。一例のファイバアンプ９０ではファイバのコアにErを100ppm程度ドープし、長さは数十ｍである。また、一例のファイバーグレーティング９４では例えば屈折率変調周期が0.5μm、長さが１０ｍｍである。
【００３９】  図１０は本発明の第３の実施例である半導体レーザ１００の斜視構造（ａ）と側面近傍の断面（ｂ）（図１０の（ａ）の点線で囲んだ部分）を示す。本発明では光電子装置として、単極／双極トランジスタを始め従来集積できる電子素子が採用されるが、特に本発明の特徴が顕著で構造が比較的単純な例として本半導体レーザ１００を説明する。
半導体レーザ１００は単結晶半導体支持部材１２３の側面にｎ型クラッド層１２５を形成しその上にレーザ共振器を光導波路１２２に沿って螺旋状に配置する。ｎ型クラッド層１２５にはｎ型電極１２４から電流が供給される。ｎ型クラッド層１２５上には活性層１２６Ａ，１２６Ｂ，１２６Ｃ、・・・がパターン化されて延伸し、その上にはそれぞれｐ型クラッド層１２７Ａ，１２７Ｂ，１２７Ｃ，・・・が形成される。ｐ型クラッド層１２７Ａ，１２７Ｂ，１２７Ｃ，・・・上にはｐ型電極１２８が共通電極として形成される。さらに、隣接する光導波路（レーザ）部絶縁層１２９が配置される。
【００４０】  一例では、単結晶半導体支持部材１２３とクラッド層がともにInP、活性層がInGaAsPで、単結晶半導体支持部材はｎ型にドープされている。電極材料はｎ型部材用にAuGeNiがｐ型部材用にAuZnを用いる。出力光は支持部材の柱軸方向に垂直な面１３０A，１３０Bより取り出される。この面が共振器のミラーとして機能するため、鏡面研磨、更に高反射ミラーの成膜などによりレーザ性能を高められる。
半導体レーザの構造は現在報告されているあらゆる構造をこの円筒側面に形成可能である。なお、図１０の（ａ）はｐ型電極１２８を省いたあるいは透視した図である。
【００４１】  このような構造にすることで共振器長が非常に長くなる。これによってレーザパワーの高出力化や、縦モード間隔が非常に狭くなることでモードロックレーザ等の実現が可能である。
加えて半導体レーザだけでなく、光検出器、変調器など、光デバイスで現在実現されているあらゆる半導体デバイスを同時に形成できる。また、更に電子デバイスの混載集積化にも可能である。
【００４２】  図１１は本発明の第４の実施例であるサンプリング装置３００の模式的斜視構造を示す。サンプリング装置３００は光検出器アレーとサンプリングスイッチ素子アレーと信号光用光導波路、サンプリング光用光導波路を円柱側面に集積した構造を備える。図１１には基板と光導波路のみが描かれているがその上部には電気回路のパターンが配置されている。図１１の点線で囲った部分３３６の部分拡大図である図１２と光電気的等価回路図である図１３及びサンプリング光と被測定信号光との関係を示す図１４によりサンプリング装置３００の詳細を後述する。
【００４３】  図１１において、第１の光導波路３３１は円柱基板３３０の上底の光入力端子３３１Aから発して、円柱基板３３０の側面に螺旋状に配置され無反射終端される。第２の導波路３３２は円柱基板３３０の上底の光入力端子３３２Aから発して、円柱基板３３０の側面を円柱の柱軸方向に直線的に走行して円柱基板３３０の下底の光出力端子３３２Bで終端される。第１、第２の光導波路３３１、３３２はそれぞれ図１２における被測定信号光用の導波路４０６、サンプリング光用の導波路４０３に相当する。
第１、第２の光導波路３３１，３３２は円柱基板３３０の側面で交差し、交差部分の近傍には、交差部分ごとに配置された互いに等価な被測定信号検出回路３３３A、３３３B、３３３C、・・・、３３３ｎとサンプリング回路３３４A、３３４B、３３４C、・・・、３３４ｎとが集積される。被測定信号検出回路で検出された被測定信号光は電気信号となり、該電気信号がサンプリング回路においてサンプリング光に応答する光スイッチによりサンプリングされて外部回路に電気信号として送出される。
【００４４】
本実施例では、一例として円柱基板３３０の直径が１ｃｍであり、交差部分間の距離は第２の光導波路に沿って１００μｍである。光は真空中を3x108m/sで進むが、光導波路の実効屈折率を3.7とすると、導波路中は8x107m/sで進む。被測定信号光は第１の光導波路３３１の一巻（長さＬ１）を進む時間は約４００ｐｓであり、円柱基板３３０の上底の光入力端子３３１Aから発して、円柱基板３３０の側面に螺旋状に光が進む。隣接交差部分間すなわちサンプリング用光スイッチ素子間の第２の導波路部分（長さＬ２）をサンプリング光が進むに要する時間は約１．３ｐｓとなる。１．３ｐｓは４００ｐｓに比べて十分小さく、各光スイッチが閉成する時刻はｎがあまり大きくない範囲でほぼ同時刻とみなせる。図１４に被測定信号光の一例の時間波形４２０とサンプリング光（パルス）のサンプリング時刻４２１との関係を示す。
【００４５】  図１２は、図１１において点線で囲んだ交差部分３３６の被測定信号検出回路３３３（ｎ−１）とサンプリング回路３３４（ｎ−１）とを含む部分の詳細断面が示されている。また、図１３には、交差部分３３６の被測定信号検出回路３３３（ｎ−１）、３３３ｎとサンプリング回路３３４（ｎ−１）、３３４ｎとを含む部分の光電気等価回路が示されている。
図１２において、図１２の（ａ）は交差部分の平面図、（ｂ）は被測定信号検出回路３３３（ｎ−１）の断面を示すＡ−Ａ’断面図、（ｃ）はサンプリング回路３３４（ｎ−１）の光スイッチ部分を示すＢ−Ｂ’断面図、（ｄ）は被測定信号検出回路３３３（ｎ−１）の光検出器部分を示すＣ−Ｃ’横断面図（柱軸に直交する平面による切断断面図）である。
【００４６】  単結晶Inpからなる円柱基板部材４１７（図１１の円柱基板３３０に相当）上にサンプリング光用導波路層４１４が形成される。導波路層４１４は、クラッド層４１４０、導波路（コア層）４０３からなっており、それらはInGaAsP, Inpで構成される。クラッド層４１４０の上部には被測定信号光の検出をおこなう被測定光検出素子４０７とサンプリング用光スイッチ素子４１２が光吸収InGaAsPで形成されている。更にクラッド層の上に被測定信号光用導波路層４１３が、クラッド層４１３０、導波路(コア層)４０６を備えるように形成される。クラッド層４１３０、コア層４０６とはいずれもSiO2を主成分とした材料で形成される。
【００４７】  光スイッチ素子４０４と信号光検出素子４０７は導波路型の検出器で、一例としてフォトコンダクティブスイッチが用いられる。検出される光は該光が伝搬している光導波路のクラッド層の一部を薄くして、コア層からの検出器へ漏れ出させるものである。フォトコンダクティブスイッチは基本的には光を吸収する半導体材料である。該フォトコンダクティブスイッチに入射する光の入力方向と直交する方向で二つの金属電極により該半導体材料を挟持して構成される。光スイッチ素子４０４は一定の強度のサンプリング光を検出して金属電極間の導通を制御して電気信号の通過と遮断とを行なう。一方信号光検出素子４０７は被測定信号光を検出して被測定信号の強度に応じた電気信号を生じるように該電気信号の通路の導電率を制御している。
【００４８】  被測定信号光用導波路層４１３のクラッド層４１３０上に電気信号層４１８が形成される。電気信号層４１８は、第１、第２の光導波路３３１，３３２から被測定信号光（図１３の矢印４１５０で示す）、サンプリング光（図１３の矢印４１６０で示す）の一部（それぞれ矢印４１５、４１６で示す）をそれぞれ入力し、同時にバイアスパターン４１０と金属グランドパターン４０１Ａ間にバイアス電圧を印加することにより、出力パターン４１２と金属グランドパターン４０１Ｂ間にサンプリング出力電気信号を発生させるための相互接続パターンや抵抗素子等から成る。
【００４９】
被測定信号光検出素子４０７の一方の電極には直流バイアスを外部より印加するための引き出し線４１９が接続されるバイアスパターン４１０を備え、もう一方の電極は分岐金属パターン４１１に接続される。金属分岐パターンは一方では終端抵抗４０２を介して金属グランドパターン４０１Ａに接続され、もう一方では光スイッチ素子４０４の一方の電極に接続される。光スイッチ素子４０４のもう一方の電極は出力パターン４１２に接続され、該出力パターン４１２にはサンプリング出力電気信号を外部回路に取り出す引き出し線４０８が接続されるとともに、容量４０５を介して金属グランドパターン４０１Ａと別途連結されている金属グランドパターン４０１Ｂに接続される。
【００５０】  図１３には、図１２を参照して上述した被測定信号検出回路３３３（ｎ−１）とサンプリング回路３３４（ｎ−１）とを含む部分の光電気等価回路が図１２での対応参照番号とともに図示されている。さらに図１３には、被測定信号検出回路３３３ｎとサンプリング回路３３４ｎとを含む部分の光電気等価回路も示されている（図１２の参照番号に対応する参照番号には同一参照番号末尾にＡを付してある。）。なお、バイアス用外部直流電源４１９，４１９Ａが追加記載されている。
【００５１】  二つの光検出器を使って光によって光信号をサンプリングする方法の詳細は本願出願人による別出願２００１−２２３４５５号の明細書に記載されている。また、多数のサンプリング回路を用いて、略同時に多数のサンプルを取得できるので、該サンプルをそれぞれデジタル値に変換して、そのままあるいは平均して時間軸の情報とともに表示することは容易である。サンプリング回路を多数並べることで、瞬時に表示できる情報量が増加し高速あるいは高精度測定が可能となる。
上記の例では、第１の導波路の一巻き毎にサンプリングする構成であるが、複数巻き毎にサンプリングするのでもよい。
【発明の効果】
【００５２】  本発明は以上説明したように構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
本発明の製造方法によれば円柱部材側面に光導波路を配置することでこれまでファイバで機能していたデバイスをコンパクトなサイズの光導波路を製造できる。また小型化だけでなく低コストが可能である。
さらにこの装置には既存の光素子、半導体デバイスも形成可能であり、それらの集積化もまた容易である。
本発明は、必要に応じて、円柱、だ円柱などの柱、管、錐体、球など柱軸を備える如何なる三次元基板にも実施可能である。従って、使用環境における制約や、あるいは結晶構造に起因する理由などから、特別な形状の基板を用いる要請に柔軟に対応できるという利点を有する。
本発明では、同じ曲率で数メートルにもおよぶ光回路を容易に形成できるので至便である。
基板を管状とするときは、管の中に冷却用流体を流して容易に集積された回路の冷却を行なうことができる。冷却用流体は管の中に封じ込められており周囲に拡散せず、効率的であり、また周囲の汚染が無い利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の光電子装置の一例を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施例である光電子装置の模式的斜視図と部分破断拡大断面図である
【図３】図２の光電子装置の製造工程を示すフローチャートである。
【図４】図２の光電子装置について、図２の（ｂ）における一方の側面が図３の製造工程につれて変化して行く様子を示す一部の断面図である。
【図５Ａ】本発明の光電子装置の製造に好適な成膜装置の構造図である。
【図５Ｂ】本発明の光電子装置の製造に好適なレジスト塗布装置の構造図である。
【図６Ａ】本発明の光電子装置の製造に好適な描画装置の構造図である。
【図６Ｂ】本発明の光電子装置の製造に好適なもう一つの描画装置の構造図である。
【図６Ｃ】本発明の光電子装置の製造に好適な現像、エッチング装置の構造図である。
【図７】本発明の光電子装置を集積する被加工円柱部材の上端部、下端部を切断する工程を説明するための斜視図である。
【図８】本発明の光電子装置において光を入射、出射させる端面を円周方向とした実施例を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施例であるファイバアンプの斜視構造を示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施例である半導体レーザの斜視構造と側面近傍の断面を示す図である。
【図１１】本発明の第４の実施例であるサンプリング装置の模式的斜視構造を示す図である。
【図１２】図１１において点線で囲った部分３３６の部分拡大図である。
【図１３】図１１において点線で囲った部分３３６の光電気的等価回路図である
【図１４】本発明の第４の実施例であるサンプリング装置におけるサンプリング光と被測定信号光との関係を示す図である
【符号の説明】２０：光電子装置
２２：光導波層
２３：柱状支持基板（柱状基板）
２４：コア層
２５：クラッド層
２６、２７：光入出力端
９０：ファイバアンプ
１００：半導体レーザ
３００：サンプリング装置
５００：成膜装置
５３０：レジスト塗布装置
６００、６５０：描画装置
６６０：現像、エッチング装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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